CN115051143B - 一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法 - Google Patents

一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高增益平面发射阵天线系统的设计方法，包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，平面反射阵天线模块(12)与电机系统连接，电机系统与副反射面(9)连接，馈源(8)安装在平面反射阵天线模块(12)的正中心，副反射面(9)位于馈源(8)正上方，平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，电机系统控制副反射面(9)的旋转，该系统能够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描，该系统具有更低的剖面、更高的增益，占用空间小，且系统高度集成化。

Description

一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法
母案申请：2020102094102一种副反射面旋转的低剖面可扫描平面反射阵天线系统及扫描方法，申请日20200323。
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种高增益平面发射阵天线系统的设计方法。
背景技术
随着人们需求的不断提高，对于远距离无线通信系统的研究也是逐渐深入，而天线是整个通信系统中重要的一个部件，需要具备高增益、低旁瓣、波束扫描等特性，从而实现良好的远距离信号发射与接收功能，抛物面天线和相控阵天线具备以上电性能，但是前者体积大、笨重是明显的缺点，后者的材料成本又是极高的。现在的卫星发射都追求“一箭多星”，要想实现这一目标，装载的卫星除了性能满足需求外，还需要具备小重量、小体积的物理特性。若采用抛物面天线作为卫星天线，由于抛物面的物理特性，必然会导致卫星整机尺寸无法小型化，且重量偏重，进而导致“一箭多星”发射的卫星数量偏少，大重量也会增加发射成本；而采用相控阵天线作为卫星天线，虽然体积能做到小型化和低剖面，但重量是其一大缺点，其次就是成本居高不下，整机结构复杂是另一大缺点，在设计阶段就要耗费大量的精力。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种平面反射阵天线系统，能够实现天线扫描系统的高度集成化、易加工、价格低廉、低剖面和三维扫描。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高增益平面发射阵天线系统的设计方法。
其中，该系统包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
优选地，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，其中，所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机系统连接；所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
优选地，所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，同时控制层(6)控制电机系统工作，电机系统带动副反射面(9)旋转，副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线，最终实现一定角度范围内的波束扫描。
优选地，所述天线层(5)包括平面反射阵面，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元；所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接。其中，所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地，所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片环形开口，所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口，所述金属地贴在所述基板下；所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
优选地，所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述f具体为32mm，所述馈源(8)具体为喇叭天线。
优选地，所述电机系统包括电机A(11)和电机B(10)，其中，所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接，所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
优选地，所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，所述馈源照射到副反射面(9)的口径大小为
Figure SMS_1
所述d3>d2。
具体地，按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元，面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ)，同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm)，副反射面的焦径比为1；确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f＝32mm，其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8；还需确定副反射面(9)旋转的最大角度，因为馈源(8)为喇叭天线，安装在反射面正中心，垂直xy平面射向z轴方向，其中馈源的-10dB波束带宽约为θ＝56°，馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小为
Figure SMS_2
设副反射面(9)旋转角度为α，在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，为了避免发生漏波现象，需要d3>d2，所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°，避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重，使得增益降低。
基于上述平面反射阵天线系统的扫描方法，包括以下步骤：
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道，所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波；
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机系统，所述电机A(11)旋转360°，带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°；
S3.所述电机B(10)旋转角度±α，以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态，旋转角度为±α，所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面，够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描。
具体地，所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同，相位不同，需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为±α。对于完整的天线系统，只需开启馈源(8)，通过电路控制两个电机的旋转，实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。
本发明的有益效果是：(1)反射面天线不需要复杂的电路设计，整个天线阵面只需要单元天线以及基板组成，喇叭天线作为馈源，能有效的减小传输过程的损耗，保证稳定的功率输出；(2)系统采用单个T/R组件实现其发射接收功能，不需要多个昂贵的T/R组件或复杂的馈电部分，结构相对更简单，能够有效地降低成本；(3)相比一般抛物面天线和平面反射阵天线而言，有更高的增益，波瓣宽度更窄，具有更强的方向性；(4)由于天线阵面是平面结构，利用副反射面进行一次反射，能有效地降低纵向尺寸，相比于一般的抛物面天线和平面反射阵天线具有更低的剖面，占用空间更小；(5)天线阵采用多层复合的FR-4制成，价格低廉，易于加工，高度集成化实现低剖面。
附图说明
图1是本发明天线系统结构图；
图2是本发明平面反射阵阵面示意图；
图3是本发明平面反射阵天线单元；
图4是本发明馈源示意图；
图5是本发明T/R组件原理图；
图6是本发明电机系统与副反射面连接示意图；
图7是本发明副反射面最大旋转角的计算示意图；
图8、9是本发明天线扫描原理示意图；
图10、11、12分别是天线扫描的正视图、俯视图和立体图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地阐述。
实施例1
在一示例性实施例中，如图1所示，一种高增益平面发射阵天线系统的设计方法，系统包括：包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方。
平面反射阵天线模块(12)的控制层(6)控制馈源(8)发出电磁波给副反射面(9)，同时控制层(6)控制电机系统工作，电机系统带动副反射面(9)旋转，副反射面(9)又将电磁波反射回平面反射阵天线，最终实现一定角度范围内的波束扫描。
进一步地，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)，其中，所述控制层(6)与分别与所述馈源(8)和所述电机系统连接；所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接。
进一步地，所述天线层(5)包括平面反射阵面，如图2所示，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元，其中，所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
进一步地，如图5所示，所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接，所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
进一步地，信道给T/R组件发送射频信号，依次经过接收发射切换开关、功率放大器和接收发射切换开关输出给馈源，馈源反馈回来的信号依次经过接收发射切换开关、低噪声放大器和接收发射切换开关输出到信道。
进一步地，如图3所示，所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片环形开口，所述辐射贴片贴在所述基板上且环形开口，所述金属地贴在所述基板下。所述馈源到所述副反射面之间的距离为f，所述馈源具体为喇叭天线。
进一步地，如图4所示，所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述f具体为32mm，所述馈源(8)具体为喇叭天线。
进一步地，如图7所示，所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，所述馈源照射到副反射面(9)的口径大小约为
Figure SMS_3
所述d3>d2。
进一步地，按照需求选择合适的反射面口径大小(32×32个单元，面积为320mm×320mm)以及所需频率(15GHZ)，同时还需要确定副反射面(9)口径大小d(40mm×40mm)，副反射面的焦径比为1；确定副反射面(9)与馈源(8)的距离f＝32mm，其中馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值取0.8；还需确定副反射面(9)旋转的最大角度，因为馈源(8)为喇叭天线，安装在反射面正中心，垂直xy平面射向z轴方向，其中馈源的-10dB波束带宽约为θ＝56°，馈源(8)照射到副反射面(9)的口径大小约为
Figure SMS_4
设副反射面(9)旋转角度为α，在xy面的等效口径大小为d3＝d*cosα，为了避免发生漏波现象，需要d3>d2，所以这里副反射面(9)的最大旋转角度α取为20°，避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重，使得增益降低。
进一步地，单个电机只能实现一个面的360°旋转，这里需要实现三维扫描，则需要两个电机，如图5所示，所述电机系统包括电机A(11)和电机B(10)，其中，所述电机A(11)通过转轴与所述电机B(10)连接，所述电机B(10)通过转轴与所述副反射面(9)连接。
进一步地，电机A(11)旋转360°，带动电机B(10)及副反射面(9)旋转360°，同时电机B(10)以副反射面(9)垂直于平面反射阵为初始状态，旋转角度为±α，就能够实现离轴角±20°，旋转角360°的波束扫描。
进一步地，改变单元数量以及单元辐射贴片的尺寸，可以实现不同增益以及频率的需求，但是需要保持馈源(8)到副反射面(9)的距离与副反射面(9)口径大小比值应取小于0.8，这样可以尽可能的减少入射波绕射造成的损耗；可以根据需求改变组合阵的形状，但阵列形状需要保持关于中心对称。
实施例2
基于上述一种高增益平面发射阵天线系统的扫描方法，包括以下步骤：
S1.所述控制层(6)的T/R组件为所述馈源(8)提供发射和接收通道，所述馈源(8)对准副反射面(9)发射电磁波；
S2.所述控制层(6)的控制电路控制所述电机系统，所述电机A(11)旋转360°，带动所述电机B(10)及所述副反射面(9)旋转360°。
S3.所述电机B(10)旋转角度±α，以所述副反射面(9)垂直于平面反射阵面为初始状态，旋转角度为±α，所述副反射面(9)将从馈源(8)发出的电磁波反射回平面反射阵面，够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描。
进一步地，所述从副反射面(9)反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个单元的距离不同，相位不同，需要计算各个单元的相位补偿。通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，通过将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
进一步地，如图8、9所示，图中标号1为馈源发出的入射波，标号2为副反射面的初始状态，标号3、4为反射波，这里设置最大旋转角度为±α(本例取α＝20°)，旋转副反射面能实现波束的扫描功能。
进一步地，如图10、11、12所示，由于馈源发射出的电磁波为球面波，经过副反射面的反射，到达反射阵面也为球面波，因而到达每个阵元的距离不同，导致相位也不同，所以需要计算出各个阵元需要补偿的相位值：
Figure SMS_5
其中β为反射波与Z轴的夹角，图8中ε表示反射波在xy平面投影与x轴的夹角，m和n分为单元所在的行和列，k0是波在自由空间的传播常数，xm,ym分别表示副反射面到天线单元的距离。补偿后的反射面在空间相位分布相当于图10正视图中的等效反射面。
进一步地，通过公式计算出单元天线需要补偿的空间相位差，可以将单元天线旋转不同角度从而实现不同空间相位差的补偿。
预设电机A(11)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B(10)旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为±α。对于完整的天线系统，只需开启馈源(8)，通过电路控制两个电机的旋转，实现离轴角±α、旋转角360°的波束扫描。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：天线系统包括平面反射阵天线模块(12)、副反射面(9)、馈源(8)和电机系统，所述平面反射阵天线模块(12)与所述电机系统连接，所述电机系统与所述副反射面(9)连接，所述馈源(8)安装在所述平面反射阵天线模块(12)的正中心，所述副反射面(9)位于所述馈源(8)正上方；其中，所述平面反射阵天线模块(12)包括从上到下依次连接的天线层(5)、控制层(6)和电源层(7)；所述天线层(5)包括平面反射阵面，所述平面反射阵面包括N×N个反射单元，所述控制层(6)包括控制电路和T/R组件，所述控制电路与所述T/R组件连接，所述T/R组件与所述馈源(8)连接，所述控制电路与所述电机系统连接；
所述馈源(8)到所述副反射面(9)之间的距离为f，所述馈源(8)具体为喇叭天线，所述副反射面(9)的口径大小d具体为40mm×40mm，馈源（8）到副反射面（9）的距离与副反射面（9）口径大小比值不大于0.8，减少入射波绕射造成的损耗；
所述副反射面(9)在一定角度±α范围内旋转，所述副反射面(9)在xy面的等效口径大小为
Figure QLYQS_1
，所述馈源（8）照射到副反射面(9)的口径大小为
Figure QLYQS_2
，所述θ表示馈源波束的有效辐射角度，所述/>
Figure QLYQS_3
；
所述电机系统包括电机A（11）和电机B（10），其中，所述电机A（11）通过转轴与所述电机B（10）连接，所述电机B（10）通过转轴与所述副反射面（9）连接；
所述天线系统在进行扫描时，包括以下步骤：
S1. 所述控制层（6）的T/R组件为所述馈源（8）提供发射和接收通道，所述馈源（8）对准副反射面（9）发射电磁波；
S2. 所述控制层（6）的控制电路控制所述电机系统，所述电机A（11）旋转360°，能够带动所述电机B（10）及所述副反射面（9）旋转360°；
S3.以所述副反射面（9）垂直于平面反射阵面为初始状态，所述电机B（10）旋转角度±α，所述副反射面（9）将从馈源（8）发出的电磁波反射回平面反射阵面，能够实现离轴角±α，旋转角360°的波束扫描；
从副反射面（9）反射回所述平面反射阵面的电磁波到达每个反射单元的距离不同，相位不同，需要计算各个反射单元的相位补偿；
所述电机A（11）旋转的步进间距为0.1°，最大旋转角度为360°；预设电机B（10）旋转的步进间距为0.1°；
通过将反射单元旋转不同角度从而实现不同反射单元相位补偿；
所述副反射面（9）的焦径比为1，副反射面（9）与馈源（8）的距离f=32mm，副反射面（9）的旋转角度α最大取为20°，避免旋转角度过大导致喇叭天线发出的电磁波绕射严重，使得增益降低。
2.根据权利要求1所述的一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：所述电源层(7)通过外接导线与所述控制层(6)连接；所述T/R组件包括功率放大器、低噪声放大器和接收发射切换开关，所述功率放大器、低噪声放大器的两端分别连接一个所述接收发射切换开关，所述T/R组件的两端分别通过一个所述接收发射切换开关连接所述馈源(8)和信道。
3.根据权利要求2所述的一种基于高增益平面发射阵天线系统的扫描方法，其特征在于：所述反射单元包括基板、辐射贴片和金属地，所述辐射贴片贴在所述基板上，所述辐射贴片为环形贴片，所述辐射贴片上开设有两个对称的开口，所述金属地贴在所述基板下；所述反射单元口径大小具体为10mm×10mm。
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